wybrane, innowacyjne projekty maszyn elektrycznych z

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109)
1
Stanisław Gawron
Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL, Katowice
WYBRANE, INNOWACYJNE PROJEKTY MASZYN
ELEKTRYCZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ICH
PRAKTYCZNE ZASTOSOWANIA
SELECTED INNOVATIVE DESIGNS OF ELECTRICAL MACHINES WITH
PERMANENT MAGNETS AND THEIR PRACTICAL APPLICATIONS
Streszczenie: Maszyny elektryczne z magnesami trwałymi są prostej budowy, mają najwyższą sprawność
energetyczną oraz dysponują największą gęstością mocy ze wszystkich znanych i stosowanych rodzajów maszyn elektrycznych. Maszyny tego typu doskonale nadają się do układów napędowych, w których wymagana
jest szeroka regulacja prędkości obrotowych oraz w napędach o dużym momencie rozruchowym. Maszyny
tego typu stosowane są również w napędach, w których determinującym parametrem jest ich masa. W niniejszym artykule przedstawiono i omówiono najciekawsze projekty maszyn z magnesami trwałymi i ich praktyczne zastosowania, które w kilku ostatnich latach zrealizowano w Instytucie Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL.
Abstract: Electrical machines with permanent magnets are characterized by simple design, highest power
efficiency and highest power density among all known and used types of electrical machines. PM machines
are perfectly suited to drives requiring wide range of rotational speed control and drives with high starting
torque. They are also used in drives, where weight of the machine is the decisive factor. In the current paper
the most interesting designs of electrical machines and their applications have been discussed. All of the
described machines have been designed and built in the Institute of Electrical Drives and Machines Komel.
Słowa kluczowe: napęd elektryczny, silnik z magnesami trwałymi, prądnica z magnesami trwałymi
Keywords: electric drive, permanent magnet synchronous motor, permanent magnet synchronous generator
1. Wstęp
Maszyny elektryczne wirujące, w których zastosowano magnesy trwałe, są zazwyczaj prostej budowy. Najczęściej spotykane są rozwiązania konstrukcyjne, w których część zewnętrzna, zwana potocznie stojanem jest nieruchoma, natomiast część wewnętrzna, zwana
wirnikiem obraca się.
Maszyny te nie mają uzwojenia w wirniku
i charakteryzują się najlepszymi właściwościami elektromechanicznymi wśród wszystkich
typów przetworników energii mechanicznej na
elektryczną [2, 8] i odwrotnie:
mają najwyższą sprawność energetyczną,
generują energię elektryczną w całym
zakresie prędkości obrotowej (w przypadku prądnic),
mają największą gęstość mocy,
nie mają pierścieni ślizgowych i szczotek.
Maszyny tego typu stosowane są jako prądnice
w elektrowniach wiatrowych i wodnych oraz
jako silniki, głównie w napędach różnego typu
pojazdów i urządzeń, w których wymagana jest
zmiana prędkości obrotowej w szerokim za-
kresie lub wymagana jest niska masa lub objętość.
2. Podział maszyn z magnesami trwałymi
Maszyny z magnesami trwałymi, ze względu na
zastosowanie, dzieli się na silniki oraz prądnice
(generatory). Nie jest to jednak podział prosty,
gdyż, np. w przypadku zastosowań trakcyjnych
(pojazdy elektryczne), pod względem eksploatacyjnym, obie funkcje (silnikowa i generatorowa) są jednakowo istotne.
Innym, często stosowanym podziałem w maszynach z magnesami trwałymi jest ich podział
ze względu na konstrukcję. Podstawowy podział konstrukcyjny to: rozwiązanie najbardziej
rozpowszechnione, czyli część zewnętrzna maszyny (obudowa) zatrzymana, a obraca się wirnik z wałem, oraz rozwiązanie odwrotne, czyli
część zewnętrzna obraca się, a wał z twornikiem jest nieruchomy. Rozwiązanie, w którym
wał silnika jest zatrzymany, a obraca się część
zewnętrzna stosowane jest np. w silnikach
w kołach.
2
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109)
W podziale konstrukcyjnym maszyn z magnesami trwałymi istnieje wiele rozwiązań ze
względu na kształt obwodu elektromagnetycznego, głównie kształtu wirnika i umieszczaniu
w nim magnesów trwałych [8]. Podstawowy
podział pod tym kątem dotyczy maszyn z wirnikiem typu SPM (Surface Permanent Magnet)
oraz typu IPM (Interior Permanent Magnet).
Warto również wspomnieć o podziale maszyn
z magnesami trwałymi, głównie silników, pod
kątem sposobu zasilania i sterowania:
silniki synchroniczne (PMSM – Permanent
Magnet Synchronous Motor),
silniki bezszczotkowe prądu stałego z komutatorem elektronicznym sterowane sinusoidalnie (PMDCBMSC - Permanent Magnet
Direct Current Brushless Motor with Sine
Control),
silniki bezszczotkowe prądu stałego z komutatorem elektronicznym sterowane trapezowo (PMDCBMTC - Permanent Magnet
Direct Current Brushless Motor with Trapez
Control).
Pozostałe podziały maszyn, zarówno konstrukcyjne, jak również pod względem sterowania są
już tylko wariacją powyższych.
3. Silniki z magnesami trwałymi – zastosowania trakcyjne
W ostatnich latach, Instytut KOMEL opracował
wiele ciekawych praktycznych projektów dotyczących silników z magnesami do różnych zastosowań [25]. Opracowane w ramach projektów prototypy, w celu weryfikacji uzyskanych
parametrów, zostały poddane szczegółowym
badaniom laboratoryjnym, a następnie zamontowane w konkretnych pojazdach, które z powodzeniem jeżdżą do dnia dzisiejszego (testowanie długofalowe). Poniżej przedstawiono
najciekawsze projekty silników z magnesami
trwałymi wraz z ich zastosowaniem.
3.1. Samochód elektryczny Re-Volt
Na przełomie 2004-2005 roku, na zlecenie
szwajcarskiej firmy, został zaprojektowany oraz
wykonany napęd do elektrycznego samochodu
osobowego [5]. Napęd składał się początkowo
z silnika z magnesami trwałymi typu SPM,
a później, wraz z rozwojem pojazdu zastosowano silnik z magnesami trwałymi typu IPM.
W obu rozwiazaniach zastosowano przekładnię
machaniczną o stałej wartości przełożenia.
Znamionowa moc silnika wynosi 14.9 kW, przy
napięciu zasilania z baterii 135 VDC.
W sumie wyprodukowano kilkaset sztuk pojazdów z silnikami produkcji KOMEL, które jeżdzą do dnia dzisiejszego.
Rys. 1. Samochód elektryczny Re-Volt z silnikiem elektrycznym o mocy 14.9 kW
Silnik do elektrycznego samochodu Re-Volt
był pierwszym, zakończonym późniejszym
wdrożeniem napędem opracowanym i wykonanym w Instytucie KOMEL.
3.2. Elektryczny Fiat Panda
Kilka lat później (2011-2013) w KOMEL-u
realizowano projekt badawczy rozwojowy pt.:
„Bezemisyjny napęd elektryczny nowej
generacji (E-Kit) do samochodów osobowych
i dostawczych o masie całkowitej do 3.5 t.”.
Celem projektu E-Kit było opracowanie i wdrożenie kompleksowego rozwiązania w pełni elektrycznego napędu samochodów osobowych
lub dostawczych, będącego zamiennikiem dla
fabrycznie montowanych napędów spalinowych
[19, 20].
W miejsce silnika spalinowego zastosowano
wysokosprawny silnik elektryczny z magnesami trwałymi, zasilany za pośrednictwem przekształtnika energoelektronicznego. Zbiornik
z paliwem płynnym zastąpiono nowoczesnym
zespołem akumulatorowym, sterowanym i nadzorowanym przez inteligentny układ elektroniczny. Układ przeniesienia napędu z wału
silnika elektrycznego na koła został tak przeprojektowany, aby w możliwie dużym stopniu
wykorzystać elementy oryginalnie pojazdu.
Układy pomocnicze samochodu, takie jak
wspomaganie układu kierowniczego, hamulcowego itp., zostały dostosowane do specyfiki napędu elektrycznego.
W ramach projektu wykonano konwersję
dwóch małych (miejskich) samochodów, osobowego i dostawczego.
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109)
3
prąd znamionowy 182 A;
prędkość obrotowa znamionowa 4400 min-1;
moc maksymalna 84 kW, przy prędkości
5000 min-1;
moment maksymalny (chwilowy, 2-min.)
180 Nm, przy prądzie maksymalnym 282 A;
typ chłodzenia: cieczą.
Rys. 2. Samochód elektryczny Fiat Panda z silnikiem elektrycznym o mocy 41 kW
Najważniejsze dane silnika w napędzie elektrycznym samochodu Panda:
moc znamionowa 41 kW;
moment znamionowy 119 Nm;
prąd znamionowy 182 A;
prędkość obrotowa znamionowa 3300 min-1;
moc maksymalna, przy prędkości bazowej
62 kW;
moment maksymalny 180 N.m;
prąd maksymalny 280 A;
typ chłodzenia: cieczą.
3.3. Elektryczny samochód osobowo-towarowy Fiat Fiorino
Elektryczny samochód osobowo-towarowy Fiat
Fiorino, podobnie jak Fiat Panda, został opracowany w ramach projektu pt.: „Bezemisyjny
napęd elektryczny nowej generacji (E-Kit) do
samochodów osobowych i dostawczych o masie całkowitej do 3.5 t”. Szczegóły dotyczące
konwersji opisano w punkcie 3.2 oraz szerzej
w innych publikacjach [19, 20].
Rys. 3. Samochód elektryczny Fiat Fiorino z silnikiem elektrycznym o mocy 55 kW
Podstawowe parametry silnika elektrycznego
z magnesami trwałymi dedykowanego do napędu miejskiego samochodu osobowo – dostawczego Fiata Fiorino:
moc znamionowa 55 kW;
moment znamionowy 119 Nm;
Oba projekty były dofinansowane ze środków
na naukę w latach 2011 ÷ 2013, jako projekt
badawczy rozwojowy nr NR01-0084-10.
3.4. Silnik napędowy do hybrydowego samochodu dostawczego Pasagon
W latach 2010 – 2012 w Instytucie KOMEL
opracowano hybrydowy bimodalny układ napędowy pojazdu mechanicznego. Nowoczesny
układ napędowy składa się z tradycyjnego napędu spalinowego plus zabudowanego na wale
transmisyjnym (wale kardana) silnika elektrycznego [11, 12]. Silnik jest zasilany z baterii
akumulatorów poprzez dwukierunkowy przekształtnik energoelektroniczny. Napęd bimodalny charakteryzuje się tym, że silnik spalinowy
i silnik elektryczny mogą pracować wyłącznie
indywidualnie [10]. Oba silniki nie mogą napędzać pojazdu jednocześnie. Przy pracy silnika
spalinowego, silnik elektryczny może pracować
jako prądnica ładując akumulatory pokładowe,
a także odzyskiwać energię kinetyczną podczas
hamowania pojazdu.
Rys. 4. Samochód o napędzie hybrydowym bimodalnym spalinowo – elektrycznym
Podstawowe parametry opracowanego samochodu hybrydowego:
maksymalny zasięg jazdy – 100 km;
prędkość maksymalna – 70 km/h;
pojemność energetyczna akumulatora trakcyjnego – 21kWh;
czas ładowania baterii – ok. 3 godzin, dla ładowarki 3-fazowej;
4
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109)
moc maksymalna silnika elektrycznego
70 kW;
maksymalny moment silnika - 520Nm.
Praca finansowana ze środków NCBiR w ramach projektu rozwojowego nr NR01-008510/2010.
3.5. Elektryczne pojazdy sportowo - rekreacyjne
W ciągu ostatnich lat coraz większą popularność zdobywają pojazdy sportowo-rekreacyjne.
Pojazdy te są wykorzystywane do rekreacyjnego przemieszczania się po torach terenowych
lub na polach golfowych, parkach lub innych
terenach, gdzie wymagany jest napęd na dwa
lub cztery koła.
Pojazdy sportowo-rekreacyjne z napędem elektrycznym zyskują coraz większy udział w rynku
oraz mają coraz więcej zastosowań, związane to
jest z ich zaletami [9, 13], m.in:
niskie koszty eksploatacji,
niewielkim hałasem,
wysoką dynamiką pojazdu szczególnie przy
niskich prędkościach pojazdu,
brakiem emisji dwutlenku węgla i spalin,
możliwością odzyskiwania energii przy redukcji prędkości lub hamowaniu,
małym prawdopodobieństwem zapalenia się
podczas wywrotki lub wypadku.
moment obrotowy 75 Nm,
bateria trakcyjna Li-Po, 9,5 kWh.
Projekt zrealizowany z dof. ze środków NCBiR
w ramach projektu rozwojowego INNOTECHK1/IN1/17/155502/NCBR/12.
3.6. Prototyp
„ELV001”
samochodu
elektrycznego
W samochodzie „ELV001” przyjęto koncepcję
przedniego napędu opartą na strukturze dwusilnikowego napędu z podwójną przekładnią pasową dla każdego silnika. Praca obu silników ze
stałym momentem realizuje funkcję dyferencjału mechanicznego, czyli elektrycznej przekładni planetarnej.
Jak sami autorzy projektu zauważyli [1], zastosowanie podwójnej przekładni pasowej w napędzie „ELV001” nie jest rozwiązaniem optymalnym w aspekcie kosztów budowy, sprawności, cichobieżności, eksploatacji i niezawodności samochodu.
Napęd samochodu składa się z 2 silników elektrycznych z magnesami trwałymi z chłodzeniem cieczą o mocy PN = 15 kW każdy, przy
obrotach nN=3400 obr/min. Napięcie zasilania
falowników wynosiło UDCN = 105 V. Prędkość
maksymalna silników nmax = 7000 obr/min. Silniki w tym projekcie opracowywał i dostarczał
KOMEL.
2x
Rys. 6. Dwusilnikowy samochód elektryczny
ELV001
Rys. 5. Pojazd sportowo rekreacyjny [24] napędzany silnikiem z magnesami trwałymi o mocy 14.9kW
W ramach konsorcjum z firmą EleDriveCo
powstał pojazd o parametrach [24]:
silnik o mocy 14,9 kW,
napięcie zasilania 90 VDC,
chłodzenie cieczą,
zasięg 100 km,
prędkość maksymalna 110 km/h,
Podstawowe dane samochodu:
masa całkowita 1190 kg – w tym pojazdu
850 kg, baterii 250 kg,
zasięg samochodu, przy prędkości 50 km/h
około 160 km.
3.7. Napęd elektryczny do pojazdu Elipsa
Pojazdy Elipsa wyposażone są w dwa silniki
elektryczne z magnesami trwałymi [23] (opracowane i produkowane w KOMEL-u), które
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109)
5
charakteryzują się dużą wytrzymałością i trwałością oraz wysoką bezawaryjnością. Współpraca obu silników realizuje funkcję dyferencjału
mechanicznego, czyli elektrycznej przekładni
mechanicznej [6].
Silniki pracują cicho i bezemisyjnie, co zwiększa możliwości zastosowania i wykorzystania
Elipsy, m.in. na obszarach zamkniętych dla
ruchu pojazdów spalinowych oraz w dużych
halach, budynkach, magazynach.
Rys. 7. Pojazd elektryczny Elipsa VERSTYLE
Rys. 8. Prototypowa paralotnia plecakowa z napędem elektrycznym
W następnych miesiącach, w ramach dalszego
rozwoju projektu, opracowano kolejny układ
napędowy do 2-osobowej paralotni (rys. 9).
Ta paralotnia również przeszła pozytwne próby
lotnicze.
Podstawowe parametry silnika do napędu pojazdu ELIPSA:
moc znamionowa 2.2 kW,
napięcie zasilania 48 VDC,
prędkość obrotowa 2200 obr/min.
3.8. Napędy elektryczne do lekkich statków
powietrznych
W latach 2008-2009 w Instytutcie KOMEL realizwoany był, jako pierwszy w Europie, projekt napędu elektrycznego do załogowego statku powietrznego [25]. Projekt zrealizowano na
bazie paralotni plecakowej, dla której opracowano lekki, elektryczny, bezprzekładniowy system napędowy.
Układ napędowy przeszedł badania laboratoryjne, a następnie zamontowano go bezpośrednio w paralotni (rys.8), na której dokonano
pierwsze loty zakończone sukcesem.
Parametry paralotni plecakowej:
moc znamionowa: 3.0 kW,
moc startowa: 8.0 kW,
napięcie zasilania: 60 VDC,
prędkość obrotowa śmigła: 2400 obr/min,
czas lotu z włączonym silnikiem elektrycznym: 50 min,
masa paralotni: 37 kg.
Rys. 9. Przykład zastosowania wysoko wydajnego silnika z magnesami trwałymi - paralotnia
2-osobowa
Parametry paralotni wózkowej 2-osobowej:
moc znamionowa: 15 kW,
moc startowa: 23 kW,
max ciąg: 100 kg,
czas lotu z włączonym silnikiem elektrycznym: 60 min,
startowa prędkość obrotowa śmigła:
2450 obr/min,
masa paralotni: 125 kg,
nowoczesna bateria polimerowo-litowa
o pojemności: 7kWh.
6
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109)
3.9. Elektryczne zespoły napędowe do jednostek pływających
Ekologiczne i ekonomiczne silniki elektryczne
cechuje cicha praca i brak emisji spalin [25].
Zaprojektowane i wykonane w KOMEL-u elektryczne silniki napędowe z magnesami trwałymi charakteryzują się wysoką sprawnością i korzystnym stosunkiem mocy do masy.
Zastosowany w napędzie łodzi silnik cechuje
niska prędkość obrotowa (1500 obr/min), co
umożliwia bezpośrednie połączenie jego wału
z wałem śruby napędowej, bez konieczności redukcji prędkości obrotowej.
Przykładowo, silnik o mocy 2,3 kW (4.5kW
moc maksymalna), w jednostce o długości 6 m
i wyporności 1,2 tony, pozwala na rozwinięcie
prędkości ok. węzłów 6 (ok. 11 km/h).
Poniżej, na rysunku 10 przedstawiono przykład
zastosowania tego typu silników.
Rys. 11. Silnik z magnesami trwałymi w zastosowaniu w bardzo ciężkich i wymagających warunkach pracy
3.11. Napędy do górniczych lokomotyw transportowych
Na przełomie 2005 i 2006 roku opracowano
w Instytucie KOMEL nowy silnik z magnesami
trwałymi do napędu lokomotyw kopalnianych
typu Ld-31EM. Nowy silnik zastępuje awaryjny
i niskosprawny silnik prądu stałego typu LDa
327a. W nowo opracowanym silniku, w stosunku do stosowanego silnika prądu stałego
LDa 327a, zwiększono moc mechaniczną o ponad 30%, zwiększono sprawności o ok. 9
punktów procentowych, przy równoczesnym
obniżeniu masy silnika o ok. 15%. Gabaryt nowego silnika, ze względów montażowych musiał pozostać identyczny, jak w silniku LDa
327a.
Rys. 10. Silnika z magnesami trwałymi zastosowany w napędzie łodzi
3.10. Elektryczne napędy do górniczej kolejki transportowej
Ciągnik GAD-1 zasilany jest z własnego zeroemisyjnego akumulatora nowej generacji,
a przeznaczony jest do prac transportowych
w podziemiach kopalń. Opracowany przez
KOMEL napęd elektryczny cechuje się niskim
poziomem hałasu, wysoką sprawnością,
odzyskiwaniem energii podczas zjazdu na nachyleniach oraz podczas hamowania [7, 14].
W zestawie zastosowanych jest 8 szt. silników
o parametrach:
moc znamionowa 10.8 kW,
napięcie zasilania 150 VDC,
moment obrotowy 115 Nm,
prędkość obrotowa 900 obr/min,
sprawność – powyżej 91%.
Rys. 12. Silnik z magnesami trwałymi w zastosowaniu w bardzo ciężkich i wymagających warunkach pracy
Najważniejsze parametry silnika [25]:
moc znamionowa 33 kW (S1) i 60 kW (S2),
prąd znamionowy 175 A (S1) i 380 A (S2),
sprawność 95 % (S1) i 97 % (S2),
prędkość obrotowa 1500 i 1080 obr/min,
moment znamionowy 210 Nm i 530 Nm,
moment maksymalny 620 Nm.
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109)
3.12. Bezprzekładniowe, elektryczne napędy
do przenośników taśmowych
Bardzo spektakularnym zastosowaniem silników z magnesami trwałymi jest bezprzekładniowy napęd przenośników taśmowych. Taki
układ napędowy jest bardzo wymagający nie
tylko pod względem konstrukcyjnym, np. praca
w strefach zagrożonych wybuchem, ale również, (a może przede wszystkim), ze względu
na konieczne do osiągnięcia parametry elektromechaniczne.
W roku ubiegłym, wspólnie z firmą NAFRA
zakończono realizację projektu bezprzekładniowego górniczego silnika do przenośników
taśmowych.
Znamionowa prędkość obrotowa silnika wynosi
45 obr/min, co pozwala na uzyskanie prędkości
liniowej taśmy ok. 3.2 m/s. Napęd zasilany jest
z energoelektronicznej przetwornicy częstotliwości, a przetwornica zasilana jest napięciem
1000 V. Znamionowy moment obrotowy silnika
wynosi 53 kNm, natomiast moment maksymalny 110 kNm. Zasilanie z przekształtnika
energoelektronicznego
umożliwia
płynną
regulację prędkości obrotowej od 0 do
55 obr/min [22].
7
spalające biogaz. W niniejszym punkcie zaprezentowano praktyczne zastosowania prądnic
z magnesami trwałymi właśnie w takich urządzeniach.
4.1. Prądnice do elektrowni wiatrowych o poziomej osi obrotu
Już w 2003 roku w Instytucie KOMEL powstała mała doświadczalna elektrownia wiatrowa o poziomej osi obrotu. Początkowo była
to elektrownia wielołopatowa (12 łopat), jednak
później ewoluowała do rozwiązania konstrukcyjnego 3-łopatowego.
Powstała w ten sposób elektrownia jest tak zaprojektowana, aby była możliwość samodzielnego jej wykonania metodą gospodarczą [3, 4].
W Instytucie dostępna jest dokumentacja konstrukcyjna, którą można nabyć na zasadzie
umowy licencyjnej.
Najważniejsze parametry techniczne:
system bezprzekładniowy – zastosowano
prądnicę z magnesami trwałymi,
średnica koła wiatrowego 5.8 m,
moc maksymalna elektrowni wiatrowej
6kW.
Rys. 13. Prototypowy silnik z wirnikiem zewnętrznym o mocy 250 kW [22]
Praca realizowana w ramach projektu badawczo - rozwojowego nr POIG.01.03.01-24075/12.
4. Rozwiązania konstrukcyjne dla OZE
(Odnawialne Źródła Energii)
Maszyny z magnesami trwałymi, ze względu na
swoją wysoką sprawność, idealnie nadają się do
zastosowania w urządzeniach produkujących
energię elektryczną z odnawialnych źródeł
energii. Są to, np. wszelkiego typu elektrownie
wiatrowe, elektrownie wodne lub agregaty
Rys. 14. Doświadczalna elektrownia wiatrowa
z prądnicą z magnesami trwałymi o mocy 6 kW
Obecnie, w celach badawczych, elektrownię tą
zastąpiono elektrownią o pionowej osi obrotu,
którą szerzej opisano w kolejnym punkcie.
8
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109)
4.2. Prądnice do elektrowni wiatrowych
o pionowej osi obrotu
4.3. Systemy do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach wodnych
W celu pokazania kolejnych możliwości zastosowania maszyn z magnesami trwałymi, opracowano prądnicę o konstrukcji do elektrowni
wiatrowej o pionowej osi obrotu [18]. Z uwagi
na konstrukcję turbin wiatrowych o pionowej
osi obrotu, najrozsądniejszym z punktu widzenia stopnia skomplikowania, masy i niezawodności całego zespołu elektrowni wiatrowej
(turbina + prądnica), wydaje się być zastosowanie w tych elektrowniach prądnic z wirnikiem zewnętrznym. Dzięki wirnikowi zewnętrznemu, łopatki turbiny mogą być mocowane
bezpośrednio do kadłuba prądnicy, np. do
górnej tarczy łożyskowej prądnicy; cały układ
jest przy tym bezprzekładniowy.
Moc elektrowni wynosi 2.5 kW, przy prędkości
obrotowej wirnika nN = 90 obr/min. Przy tych
parametrach moc znamionowa prądnicy wynosi
PN = 2 kW (fN = 30 Hz, UN=230V).
W ramach prac badawczych Instytutu KOMEL,
w konsorcjum z ZM EMIT S.A oraz ENEL-PC
sp. z o.o., opracowano koncepcję, wykonano
prototyp i przeprowadzono badania nowego zespołu prądotwórczego [15, 21].
Jednym z najważniejszych parametrów było
zwiększenie sprawności energetycznej całego
zespołu prądotwórczego.
Rys. 16. Bezprzekładniowy zespół prądotwórczy
w elektrowni wodnej z generatorem z magnesami trwałymi (kolor zielony – generator)
Rys. 15. Przykładowe zastosowanie prądnicy
z magnesami trwałymi z wirnikiem zewnętrznym
Zwiększenie sprawności całego zespołu zrealizowano poprzez:
wprowadzenie możliwości płynnej regulacji
prędkości obrotowej turbiny wodnej w szerokim zakresie, stosownie do aktualnych
warunków wodnych, w jakich pracuje turbina,
zastąpienie generatora asynchronicznego
z wirnikiem klatkowym generatorem synchronicznym z magnesami trwałymi,
wyeliminowanie przekładni mechanicznej
(multiplikatora prędkości) między turbiną
wodną, a generatorem,
możliwość
programowego
sterowania
współczynnikiem i oddawanie mocy do sie-
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109)
ci, przy wysokim współczynniku mocy
cosφ=1,
bezproblemowe przyłączanie generatora do
sieci przesyłowej (wyeliminowanie problemów związanych z koniecznością synchronizacji generatora z siecią),
możliwość programowej kontroli i ograniczania zawartości harmonicznych w napięciu wyjściowym przemiennika,
możliwość pracy hydroelektrowni na „słabe” sieci oraz autonomicznie w sieciach wydzielonych (zamkniętych).
9
Poniżej przedstawiono przykładowy spalinowy
agregat prądotwórczy pracujący z prądnicą
z magnesami trwałymi [16].
Praca ta została dofinansowana ze środków
publicznych przez NCBiR, w ramach projektu
nr PBS1/B4/4/2012.
Poniżej, na rysunku 17, przedstawiono inny
przykład małej elektrowni wodnej, ale w wykonaniu amatorskim. Elektrownia zbudowana
jest na niewielkim cieku wodnym znajdującym
się w Miliku koło Muszyny. Wyprodukowana
w ten sposób energia elektryczna, o zmiennych
parametrach, uzależnionych od prędkości przepływu wody, jest bezpośrednio zużywana do
ogrzewania ciepłej wody użytkowej oraz dogrzewania domu.
Zainstalowana na początku 2004 roku prądnica,
pracuje do dnia dzisiejszego.
Rys. 18. Agregat spalinowo-elektryczny o mocy
znamionowej 30 kVA i prędkości 1500 obr/min
[16]
W ramach projektu opracowano ponad 20 konstrukcji prądnic z magnesami trwałymi dedykowanych do zastosowań w agregatach prądotwórczych. Agregaty te, przy odpowiednim paliwie, np. biogaz, mogą pracować jako odnawialne źródła energii. Cechą charakterystyczną
opracowanych urządzeń, jest poprawa skuteczności przetwarzania energii mechanicznej
w elektryczną. W stosunku do obecnie stosowanych prądnic, uzyskano poprawę sprawności
ok. 4%. Poprawa sprawności jest to bardzo
istotna z punktu widzenia przetwarzania mocy,
np. biogazowniach, gdyż daje realnie większe
zyski ze sprzedaży energii elektrycznej.
Praca dofinansowana ze środków publicznych
przez OPI, w ramach projektu rozwojowego nr
WND-POIG.01.03.01-24-015/09.
5. Podsumowanie
Rys. 17. Mała przydomowa elektrownia wodna
w wykonaniu amatorskim o mocy 1.5 kW
4.4. Wysokosprawne prądnice do bioagregatów prądotwórczych
Ciekawym urządzeniem, ze względu na możliwości aplikacyjne zastosowania prądnic z magnesami trwałymi, jest agregat spalinowy prądotwórczy nowej generacji. Agregaty takie
mogą być zasilane olejem napędowym lub biogazem, np. pozyskiwanym z procesu gazyfikacji biomasy.
W niniejszej publikacji zaprezentowano najciekawsze projekty z zakresu maszyn z magnesami
trwałymi zrealizowane w Instytucie KOMEL
w ciągu ostatnich 10 lat.
Celem przewodnim było pokazanie praktycznych możliwości stosowania takich maszyn.
W artykule skupiono się głównie na najistotniejszych parametrach eksploatacyjnych oraz na
wizualnym zaprezentowaniu wyników projektów. Przez ostatnie 10 lat, w Instytucie
KOMEL zrealizowano szereg innych, nie mniej
ciekawych prac. Prace były realizowane nie tylko z zakresu maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi, ale również maszyn indukcyjnych,
np. zaprojektowanie oraz opracowanie doku-
10
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109)
mentacji konstrukcyjnej silników o mocy
180 kW do napędu pojazdu trakcyjnego typu
METROPOLIS (Metro Warszawskie), które są
produkowane przez ZM EMIT S.A. z Żychlina.
Jednak ze względu na ograniczoną objętość
artykułu, nie ma możliwości zaprezentowania
wszystkich zrealizowanych projektów.
Wyniki z realizacji większości prac badawczo rozwojowych znajdują się na stronie internetowej KOMEL-u: www.komel.katowice.pl, do
której przeglądania zapraszamy.
6. Literatura
[1]. Adamczyk D., Michna M., Ronkowski M., Kutt
F., Bernatt J., Pistelok P., Król E., Kucharski Ł.,
Kwiatkowski M., Byrski Ł., Kozioł M.: „Koncepcja,
modelowanie i symulacja układu napędowego prototypu samochodu elektrycznego „ELV001”, Maszyny Elektryczne-Zeszyty Problemowe nr 92/2011,
str. 17 – 22.
[2]. Bernatt J.: „Obwody elektryczne i magnetyczne
maszyn elektrycznych wzbudzanych magnesami
trwałymi”, monografia KOMEL, Katowice 2010.
[3]. Bernatt J., Gawron S., Król E.: „Energia wiatru
jako źródło taniego ciepła”, Śląskie Wiadomości
Elektryczne, Nr (58) 01/2005.
[4]. Bernatt J., Gawron S., Król E.: „Wykorzystanie
energii wiatru do efektywnego dogrzewania pomieszczeń gospodarczych”, Maszyny ElektryczneZeszyty Problemowe nr 72/2005, s. 5-9.
[5]. Bernatt J., Król E.: „Comparison of Two
Versions of Electric Motors Used in a Drivetrain of
an Electric Car”. The 25th World Battery, Hybrid
and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium &
Exhibition, EVS-25 Shenzhen, China, Nov. 5-9,
2010.
[6]. Bodora A., Biskup T., Domoracki A.:
„Dwustrefowy napęd małego pojazdu elektrycznego
z silnikami BLDC”, Wiadomości Elektrotechniczne,
12/2010, str. 42-47.
[7]. Dukalski P., Brymora L.: "Nowa koncepcja silnika trakcyjnego wzbudzanego magnesami trwałymi
przeznaczonego do zastosowania w napędach kopalń". Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe
nr 2/2013 (99).
[8]. Glinka T.: „Maszyny elektryczne wzbudzane
magnesami trwałymi”, wyd. Pol. Śląskiej. Gliwice
2002 r.
[9]. Król E.: „Silniki synchroniczne w napędach pojazdów sportowo-rekreacyjnych”, Maszyny Elektryczne-Zeszyty Problemowe nr 2/2014.
[10]. Król E., Białas A: „Koncepcja napędu hybrydowego przeznaczonego do samochodu dostawczego”, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe nr 1/2012.
[11]. Król E., Gawron S., Skęczek W.: „Autobus
miejski z napędem spalinowo-elektrycznym - aspekty
społeczno-ekonomiczne wyników badań drogowych”, Logistyka, 4/2015, str. 4279-4288.
[12]. Król E., Skęczek W.: „Autobus miejski z napędem spalinowo-elektrycznym wyniki badań drogowych”, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe
nr 1/2015, str. 163-168.
[13]. Król E., Maciążek M.: „Wpływ algorytmu sterowania przekształtnika na właściwości napędu z silnikiem”, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe nr 2/2013, str. 211-215.
[14]. Mróz J., Skupień K., Drwięga A.,Budzyński
Z., Polnik B., Czerniak D., Dukalski P., Brymora L.:
"Gentle accumulator drive (GAD) – new directions
of development for the mining industry", Przegląd
Elektrotechniczny 06.2013.
[15]. Pistelok P., Rossa R.: „Generatory synchroniczne z magnesami trwałymi dedykowane dla małych elektrowni wodnych”, Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe nr 2/2015 (106).
[16]. Pistelok P.: „Jednostka prądotwórcza z generatorem z magnesami trwałymi – wyniki badań”,
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe nr
1/2014 (101), str.193-198.
[17]. Rossa R.: „Zaawansowane rozwiązania techniczne w napędzie elektrycznym E-Kit dla miejskiego
samochodu osobowego”, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe nr 2/2014 (102).
[18]. Rossa R., Białas A.: „Prądnica synchroniczna
z magnesami trwałymi o wirniku zewnętrznym do
przydomowych elektrowni wiatrowych”, Maszyny
Elektryczne - Zeszyty Problemowe nr 89/2011, str.
133-137.
[19]. Rossa R., Białas A.: „Napęd elektryczny e-Kit
miejskiego pojazdu dostawczego – rozwiązania
techniczne”, Logistyka nr 6/2014.
[20]. Rossa R., Król E.: „Regulacja prędkości
obrotowej w napędzie elektrycznym „E-Kit” dedykowanym do elektryfikacji małych samochodów osobowych i dostawczych”, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 4/2012 (97).
[21]. Rossa R., Pistelok P.: „Małe elektrownie
wodne jako źródło energii odnawialnej”, Rynek
Energii nr 2 (111)/2014, str. 75.
[22]. Wolnik T., Król E.: „Optymalizacja obwodu
elektromagnetycznego silnika do bezprzekładniowego napędu górniczego przenośnika taśmowego”,
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, Nr
2/2016 (110), str. 123-127.
[23]. www.elipsavehicle.com.
[24]. www.eledriveco.pl/.
[25]. www.komel.katowice.pl.
Autor
dr inż. Stanisław Gawron
e-mail: [email protected]
Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych
KOMEL, al. Roździeńskiego 188,
40-203 Katowice, tel. +48 (32) 258 20 41